基于虛擬現(xiàn)實(shí)的操作空間度量方法與工具設(shè)計(jì)

文天樂

本論文來(lái)自于基于虛擬現(xiàn)實(shí)的維修性工程，主要研究?jī)?nèi)容為實(shí)現(xiàn)虛擬環(huán)境中產(chǎn)品的維修操作空間自動(dòng)定量評(píng)價(jià)。通過查閱和學(xué)習(xí)現(xiàn)有的維修操作空間及相近概念的定量評(píng)價(jià)方法，提出新的更適宜的評(píng)價(jià)方法和評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，最終制定出標(biāo)準(zhǔn)化的維修性自動(dòng)評(píng)價(jià)方法，并在CATIA和DELMIA環(huán)境下進(jìn)行實(shí)現(xiàn)和實(shí)例驗(yàn)證。這一方法為實(shí)際工程中定量評(píng)價(jià)虛擬環(huán)境中產(chǎn)品的維修性設(shè)計(jì)水平提供了參考依據(jù)。

隨著電子、機(jī)械等工業(yè)技術(shù)的飛速發(fā)展和生產(chǎn)商對(duì)加工精度要求的不斷提高，產(chǎn)品的固有可靠性逐步提高。然而，無(wú)論產(chǎn)品的固有可靠性提高到哪種程度，都不可能達(dá)到百分之百，隨著貯存、運(yùn)輸和使用等時(shí)間上的積累，產(chǎn)品總會(huì)有發(fā)生故障的時(shí)候。一旦產(chǎn)品發(fā)生故障，必須有方便快捷、經(jīng)濟(jì)實(shí)惠的維修手段以恢復(fù)產(chǎn)品的性能。因此，維修是否快速有效將直接關(guān)系到使用者的經(jīng)濟(jì)利益。產(chǎn)品的維修可達(dá)性將直接影響維修活動(dòng)工作量的大小，改善產(chǎn)品的維修可達(dá)性將極大的提高產(chǎn)品的系統(tǒng)效能，同時(shí)節(jié)省產(chǎn)品的壽命周期費(fèi)用。由于產(chǎn)品的維修可達(dá)性是產(chǎn)品本身固有的質(zhì)量特性，因此解決維修可達(dá)性問題必須從設(shè)計(jì)人手。

隨著計(jì)算機(jī)信息科學(xué)的飛速發(fā)展，尤其是本世紀(jì)在計(jì)算機(jī)圖形學(xué)技術(shù)、高性能圖形系統(tǒng)和虛擬現(xiàn)實(shí)方面的誕生了不少的研究成果，維修過程在獲得實(shí)物樣機(jī)或原型機(jī)之前就可以開始進(jìn)行。產(chǎn)品設(shè)計(jì)和開發(fā)的模式也隨之發(fā)生了變化。DELMIA、Jack等計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件和技術(shù)的廣泛應(yīng)用，可以輔助設(shè)計(jì)人員完成包含數(shù)字樣機(jī)、虛擬維修人員和虛擬維修工具的虛擬維修操作流程仿真。在設(shè)計(jì)階段即開展對(duì)設(shè)計(jì)方案和設(shè)計(jì)布局的數(shù)字仿真，可以避免實(shí)物原型的制作，節(jié)約了從設(shè)計(jì)到定型的時(shí)間，提高了設(shè)計(jì)效率，從而降低了開發(fā)成本；前期開展的虛擬維修工程評(píng)價(jià)工作，在一定程度上優(yōu)化了設(shè)計(jì)方案和設(shè)計(jì)布局，因此可以避免不合理的設(shè)計(jì)，減少給后續(xù)維修工作造成的不便。

維修操作空間定量評(píng)價(jià)方法

維修是一種需要人參與的活動(dòng)，適當(dāng)?shù)木S修空間將提高維修效率和維修人員的舒適程度。這一節(jié)的主要內(nèi)容是確定適當(dāng)?shù)木S修操作空間的大小。

在設(shè)計(jì)產(chǎn)品時(shí)，適當(dāng)?shù)牟僮骺臻g的具體尺寸需要依據(jù)維修人員的身體尺寸和操作姿態(tài)來(lái)確定。因此維修操作空間應(yīng)考慮維修人員的影響因素，如實(shí)體可達(dá)性。人的上肢可以接觸到的空間范圍分為最佳范圍、正常范圍和最大范圍。人體上肢的作業(yè)范圍是一個(gè)三維空間，維修人員的最大操作空間和舒適度隨著操作高度、手臂延伸線與人體中線的夾角角度的改變而發(fā)生變化。為了便于分析人體上肢的操作范圍，建立數(shù)學(xué)模型描述人體各部分的尺寸和相對(duì)位置。

軟件工具設(shè)計(jì)和案例探究

CATIA是法國(guó)達(dá)索公司（Dassault Systemes）與IBM公司（International Business Machines Corporation國(guó)際商業(yè)機(jī)器公司）聯(lián)合開發(fā)的一款CAD/CAE/CAM軟件，主要為客戶提供產(chǎn)品外形設(shè)計(jì)、機(jī)械零件設(shè)計(jì)、配合結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、組裝、數(shù)控加工等功能，并提供大量的標(biāo)準(zhǔn)尺寸零件模型，使得企業(yè)可以縮短開發(fā)周期，快速迭代設(shè)計(jì)方案，對(duì)市場(chǎng)需求做出敏捷的反應(yīng)。CATIA是目前應(yīng)用最廣泛數(shù)字樣機(jī)設(shè)計(jì)開發(fā)軟件之一，應(yīng)用范圍涵蓋等航空航天、建筑、船舶、汽車、鐵路等多個(gè)領(lǐng)域。DELMIA（Digital Enterprise Lean Manufacturing Interaction Application）是法國(guó)達(dá)索（Dassault Systemes）公司生產(chǎn)的一款數(shù)字化企業(yè)的互動(dòng)制造應(yīng)用軟件，是PLM（Product Life Management）系列產(chǎn)品之一。該軟件與CATIA互為補(bǔ)充，呈現(xiàn)上下游關(guān)系，共同貫穿產(chǎn)品的設(shè)計(jì)周期。利用CATIA制作數(shù)字樣機(jī)后，可在DELMIA中進(jìn)行物流過程分析、維修、裝配、工藝規(guī)劃、與機(jī)器人配合等多種功能的虛擬演示和模擬，是一個(gè)面向設(shè)計(jì)、制造、維護(hù)、人機(jī)過程的“數(shù)字化工廠”仿真平臺(tái)。便于用戶檢查設(shè)計(jì)方案的缺陷和漏洞，及時(shí)更改設(shè)計(jì)方案，降低研發(fā)成本，縮短研發(fā)時(shí)間，實(shí)現(xiàn)快速上市的目的。DELMIA中含有一個(gè)Human Task Simulation模塊，包含虛擬人模型、人體動(dòng)作模型、維修工具等內(nèi)容，用于模擬人機(jī)交互過程，實(shí)現(xiàn)虛擬維修、虛擬拆卸、虛擬裝配等功能，也是本研究中重點(diǎn)使用的模塊，包含本研究中所需要的大部分?jǐn)?shù)據(jù)。本研究基于CATIA與DELMIA現(xiàn)有的軟件功能和數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行二次開發(fā)，研究目標(biāo)是在客戶已經(jīng)完成產(chǎn)品設(shè)計(jì)和數(shù)字樣機(jī)的制作的情況下，根據(jù)已制作好的虛擬維修仿真動(dòng)畫，針對(duì)產(chǎn)品的維修操作空間的完成定量評(píng)估。

軟件的二次開發(fā)是在現(xiàn)有軟件產(chǎn)品的基礎(chǔ)上，對(duì)軟件功能進(jìn)行延伸和擴(kuò)展，或?qū)崿F(xiàn)和其他軟件的對(duì)接并實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的交換和傳輸。二次開發(fā)一般針對(duì)某一類特定的用戶，通過添加更個(gè)性化、專業(yè)化的功能和模塊，使得軟件功能更具有針對(duì)性，用戶的需求得以實(shí)現(xiàn)，工作效率得以提高。DELMIA為不開源的軟件，為實(shí)現(xiàn)二次開發(fā)必須利用軟件開發(fā)商為用戶專門準(zhǔn)備的二次開發(fā)接口。為靈活地滿足不同客戶的需要，DELMIA提供了多種二次開發(fā)的接口：一是CAD格式接口，方便客戶加載在CAD環(huán)境下設(shè)計(jì)的數(shù)字樣機(jī)，實(shí)現(xiàn)模型結(jié)構(gòu)、尺寸、顏色渲染等數(shù)據(jù)的導(dǎo)入導(dǎo)出；二是知識(shí)工程，這是DELMIA的一個(gè)專門模塊，知識(shí)工程利用參數(shù)化定義的方法對(duì)人體模型和基礎(chǔ)動(dòng)作單元進(jìn)行了建模，建立一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)模型庫(kù)，用戶可以通過關(guān)鍵參數(shù)調(diào)用標(biāo)準(zhǔn)模型庫(kù)中的模塊，從而實(shí)現(xiàn)快速建模，完成設(shè)計(jì)任務(wù)；三是采用自動(dòng)化對(duì)象編程的接口Automation API（Application Programming Interface），能夠?qū)崿F(xiàn)宏指令的編寫，或利用宏與VB開發(fā)語(yǔ)言（Visual Basic）相結(jié)合編寫簡(jiǎn)易程序；四是開放的基于構(gòu)件的應(yīng)用編程接口CAA（Component Application Architecture，應(yīng)用組件架構(gòu)），這是DELMIA的一套C++函數(shù)庫(kù)，這一接口主要用于與C++開發(fā)語(yǔ)言鏈接，方便客戶使用C++編寫所需程序，用戶可通過快速應(yīng)用研發(fā)環(huán)境RADE（Rapid Application Development Environment）和不同的API（Application Programming Interface）接口完成從DELMIA數(shù)據(jù)庫(kù)中調(diào)取數(shù)據(jù)到C++程序中的過程。

該案例為針對(duì)拆卸某型號(hào)大型客機(jī)APU上六角螺母的維修空間定量評(píng)估。目的是利用所提出的方法和開發(fā)的軟件工具，對(duì)維修操作空間進(jìn)行定量評(píng)價(jià)，以展示方法的靈活性和有效性以及軟件的可用性和可靠性。該大型客機(jī)APU的虛擬維修操作動(dòng)畫截圖如圖1所示。該大型客機(jī)APU上有12顆六角螺母，選取123號(hào)螺母作為典型案例，三顆螺母的位置如圖2所示。

這三顆螺母中，顯然3號(hào)周圍的障礙物少，對(duì)扳手的使用影響較少，同時(shí)位置較低，距離肩膀較近，手臂只需微微向上伸出即可接觸到，因而上肢舒適度較高。該螺母周圍的空間無(wú)需定量評(píng)估，定性評(píng)估即可確定等級(jí)為優(yōu)秀。1號(hào)螺母雖然位置很高，但是周圍的障礙物少，手部可達(dá)到1200旋轉(zhuǎn)。2號(hào)螺母位置較高且周圍障礙物較多，維修人員手部只能達(dá)到600旋轉(zhuǎn)。本案例中選取2號(hào)螺母進(jìn)行分析。

第一步打開程序，連接虛擬環(huán)境，選定虛擬人并連接。第二步選定關(guān)鍵幀，抓取扳手之后，選取手部攜工具接近、旋轉(zhuǎn)卸下六角螺母、手部攜工具離開這三幀內(nèi)容。第三步系統(tǒng)提示選取第一幀的維修活動(dòng)單元類型，為平移，此時(shí)軟件自動(dòng)計(jì)算第一幀的掃掠舒適度P_V、上肢舒適度r和該幀總舒適度s，x=0，y=0，z=1，但不在界面中顯示。第四步系統(tǒng)提示選取第二幀的維修活動(dòng)單元類型，為旋轉(zhuǎn)，如圖3所示，此后軟件自動(dòng)計(jì)算第一幀的掃掠舒適度P_v、上肢舒適度r和該幀總舒適度s，x=0，y=1，z=1，但不在界面中顯示。第五步系統(tǒng)提示選取第三幀的維修活動(dòng)單元類型，為平移，此時(shí)軟件自動(dòng)計(jì)算第三幀的掃掠舒適度P_v、上肢舒適度r和該幀總舒適度s，x=0，y=1，z=2，但不在界面中顯示。第六步系統(tǒng)自動(dòng)根據(jù)已有的x、y、z，計(jì)算s的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，（0.8x+0.75y+0.9z）為優(yōu)秀閾值，（0 5x+0.25y+0.7z）為差閾值，該部分不在界面中顯示。第七步系統(tǒng)輸出三幀中每一幀的s值，并與s的優(yōu)秀閾值和差閾值比較，給出空間評(píng)價(jià)結(jié)論。該案例中具體數(shù)據(jù)截圖如圖4所示。得出結(jié)論該部分操作空間維修性差，必須加以改進(jìn)。

本文以維修操作空間為研究對(duì)象，在前人基于掃掠體積的維修操作空間的定量評(píng)價(jià)方法的理論基礎(chǔ)上，對(duì)與維修操作空間相近的概念進(jìn)行學(xué)習(xí)和研究，參考作業(yè)空間的評(píng)價(jià)方法，在維修操作空間的定量評(píng)估中加入針對(duì)上肢舒適度的評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)。在熟練掌握DELMIA使用方法的基礎(chǔ)上，對(duì)其進(jìn)行二次開發(fā)，基于前述原理完成軟件工具設(shè)計(jì)，并取得了實(shí)現(xiàn)。利用某型號(hào)大型客機(jī)APU對(duì)該原理及軟件工具進(jìn)行了實(shí)例驗(yàn)證，證實(shí)了該方法的可行性和該軟件的實(shí)用性。

本研究取得的成果主要有：對(duì)維修操作空間的定量評(píng)價(jià)方法進(jìn)行了改進(jìn)，提出了包含更多影響因素的定量評(píng)價(jià)方法，并提出了針對(duì)該方法的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)；基于所提出的方法進(jìn)行軟件工具的二次開發(fā)和實(shí)現(xiàn)，驗(yàn)證了本項(xiàng)研究的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值，為產(chǎn)品的工業(yè)設(shè)計(jì)提供了一種參考標(biāo)準(zhǔn)和參考工具。

由于時(shí)間緊張，沒有對(duì)該方法中基于手部掃掠體積的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行驗(yàn)算和修正，且在定義上肢舒適度r值的定義過程中，采用的模型過于簡(jiǎn)略，方法近乎簡(jiǎn)單粗暴。后續(xù)可以在這兩方面進(jìn)行深入的研究和探討。